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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Molekülgeometrie - Chemie

Einleitung

Die Molekülgeometrie beschreibt, wie Atome in einem Molekül räumlich angeordnet sind. Eine Valenzstrichformel zeigt Bindungen und freie Elektronenpaare zunächst in der Ebene. Mit dem Elektronenpaarabstoßungsmodell beziehungsweise VSEPR-Modell kannst Du daraus eine räumliche Form ableiten. Die Geometrie hilft Dir, Bindungswinkel, Dipolmomente und viele Stoffeigenschaften zu verstehen.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du eine Lewis-Formel auswerten, Elektronendomänen am Zentralatom zählen und die Molekülgestalt mit dem EPA-Modell begründen. Du kannst wichtige Formen an Beispielen erkennen und erklären, weshalb freie Elektronenpaare Bindungswinkel verändern. Außerdem kannst Du die Geometrie mit der Polarität eines Moleküls verbinden und Grenzen des Modells benennen.

Von der Lewis-Formel zum räumlichen Modell

Eine Lewis-Formel zeigt Valenzelektronen als Punkte oder Striche. Für die Molekülgeometrie betrachtest Du vor allem das Zentralatom. Dort zählst Du die Bereiche erhöhter Elektronendichte:

Bindendes Elektronenpaar: Eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung zählt bei der ersten VSEPR-Näherung als eine Elektronendomäne.
Freies Elektronenpaar: Ein nichtbindendes Elektronenpaar am Zentralatom zählt ebenfalls als eine Elektronendomäne.

Beim Methanmolekül $C H_{4}$ besitzt das Kohlenstoffatom vier bindende Elektronenpaare und kein freies Elektronenpaar. Diese vier Domänen richten sich tetraedrisch aus.

Das EPA- beziehungsweise VSEPR-Modell

Elektronenbereiche stoßen sich ab. Sie ordnen sich um das Zentralatom so an, dass ihr Abstand möglichst groß ist. Das Modell liefert eine Näherung für die räumliche Gestalt. Freie Elektronenpaare beanspruchen meist mehr Raum als bindende Paare und drücken Bindungen daher etwas zusammen.

AXE-Schreibweise

Die Kurzform $A X_{m} E_{n}$ ordnet Moleküle nach ihrer Elektronenumgebung:

$A$ steht für das Zentralatom.
$X$ steht für ein gebundenes Atom.
$E$ steht für ein freies Elektronenpaar am Zentralatom.

Bei der Elektronenpaargeometrie werden bindende und freie Elektronenpaare berücksichtigt. Bei der Molekülgeometrie betrachtet man nur die Positionen der Atome.

Grundformen der Molekülgeometrie

Elektronendomänen am Zentralatom	AXE-Typ	Molekülgestalt	Idealer oder typischer Winkel	Beispiel
2	$A X_{2}$	linear	$18 0^{\circ}$	$C O_{2}$
3	$A X_{3}$	trigonal-planar	$12 0^{\circ}$	$B F_{3}$
4	$A X_{4}$	tetraedrisch	$109, 5^{\circ}$	$C H_{4}$
4	$A X_{3} E$	trigonal-pyramidal	etwa $10 7^{\circ}$	$N H_{3}$
4	$A X_{2} E_{2}$	gewinkelt	etwa $104, 5^{\circ}$	$H_{2} O$
5	$A X_{5}$	trigonal-bipyramidal	$9 0^{\circ}$ und $12 0^{\circ}$	$P C l_{5}$
6	$A X_{6}$	oktaedrisch	$9 0^{\circ}$	$S F_{6}$
6	$A X_{4} E_{2}$	quadratisch-planar	$9 0^{\circ}$	$X e F_{4}$

Linear: Kohlenstoffdioxid

Bei $C O_{2}$ liegen am Kohlenstoffatom zwei Elektronendomänen vor. Die beiden Doppelbindungen zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Das Molekül ist linear.

Trigonal-planar: Bortrifluorid

Bei $B F_{3}$ umgeben drei Bindungsbereiche das Boratom. Sie liegen in einer Ebene und bilden Winkel von ungefähr $12 0^{\circ}$ .

Tetraedrisch: Methan

Bei $C H_{4}$ verteilen sich vier Bindungsbereiche im Raum. Der ideale Tetraederwinkel beträgt ungefähr $109, 5^{\circ}$ .

Freie Elektronenpaare verändern die Gestalt

Freie Elektronenpaare sind in einer Lewis-Formel sichtbar, aber sie erscheinen nicht als Atome in der Molekülgestalt. Dennoch beeinflussen sie die Bindungswinkel deutlich.

Ammoniak: trigonal-pyramidal

Am Stickstoffatom von $N H_{3}$ befinden sich drei Bindungspaare und ein freies Elektronenpaar. Die Elektronenpaargeometrie ist tetraedrisch, die sichtbare Molekülgestalt jedoch trigonal-pyramidal.

Wasser: gewinkelt

Am Sauerstoffatom von $H_{2} O$ befinden sich zwei Bindungspaare und zwei freie Elektronenpaare. Dadurch entsteht eine gewinkelte Gestalt. Der H–O–H-Winkel beträgt ungefähr $104, 5^{\circ}$ .

Geometrien mit fünf und sechs Elektronendomänen

Fünf Domänen führen ohne freie Elektronenpaare zur trigonal-bipyramidalen Anordnung. Dabei gibt es zwei axiale und drei äquatoriale Positionen. Sechs Domänen führen zur oktaedrischen Anordnung.

Bei freien Elektronenpaaren können daraus weitere Gestalten entstehen, zum Beispiel eine Wippenform, eine T-Form oder eine quadratisch-planare Form.

Molekülgeometrie und Polarität

Eine polare Bindung besitzt ein Bindungsdipol. Ob das gesamte Molekül ein Dipol ist, hängt zusätzlich von der räumlichen Anordnung der Bindungen ab. In symmetrischen Molekülen mit gleichen Außenatomen können sich die Bindungsdipole aufheben. Deshalb sind etwa $C O_{2}$ , $B F_{3}$ und $S F_{6}$ trotz polarer Einzelbindungen insgesamt unpolar. Bei gewinkelten oder pyramidal gebauten Molekülen bleibt häufig ein Gesamtdipol erhalten.

Vorgehensweise bei Aufgaben

Lewis-Formel: Zeichne die Valenzelektronen und Bindungen.
Zentralatom: Bestimme das Atom, um das sich die übrigen Atome anordnen.
Elektronendomäne: Zähle Bindungen und freie Elektronenpaare am Zentralatom.
AXE-Methode: Ordne das Molekül einem Typ $A X_{m} E_{n}$ zu.
Molekülgestalt: Leite die räumliche Form und ungefähre Bindungswinkel ab.
Dipol: Prüfe Bindungspolarität und Symmetrie des gesamten Moleküls.

Grenzen des VSEPR-Modells

Das VSEPR-Modell ist ein anschauliches Schulmodell, aber keine vollständige Beschreibung der Elektronenstruktur. Reale Bindungswinkel können von Idealwerten abweichen. Bei Übergangsmetallverbindungen, stark delokalisierten Elektronen oder besonderen Ligandenwechselwirkungen sind Modelle der Quantenchemie und die Molekülorbitaltheorie oft geeigneter.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aussage beschreibt die Grundidee des VSEPR-Modells? (Elektronendomänen ordnen sich mit möglichst großem Abstand an) (!Atomkerne ziehen sich gegenseitig möglichst stark an) (!Alle Moleküle sind grundsätzlich eben) (!Bindungswinkel hängen nur von der Atommasse ab)

Wofür steht A in der AXE-Schreibweise? (Zentralatom) (!Außenatom) (!Anzahl der Bindungen) (!Atommasse)

Welche Gestalt besitzt Kohlenstoffdioxid? (Linear) (!Gewinkelt) (!Tetraedrisch) (!Trigonal-pyramidal)

Welche Gestalt besitzt Bortrifluorid? (Trigonal-planar) (!Linear) (!Oktaedrisch) (!Trigonal-pyramidal)

Welche Gestalt besitzt Methan? (Tetraedrisch) (!Gewinkelt) (!Quadratisch-planar) (!Trigonal-bipyramidal)

Welche Gestalt besitzt Ammoniak? (Trigonal-pyramidal) (!Trigonal-planar) (!Linear) (!Oktaedrisch)

Warum ist das Wassermolekül gewinkelt? (Zwei freie Elektronenpaare beeinflussen die Bindungen) (!Das Sauerstoffatom besitzt keine Valenzelektronen) (!Die Wasserstoffatome bilden eine Doppelbindung) (!Das Molekül enthält sechs Zentralatome)

Wie wird eine Doppelbindung bei der ersten Bestimmung der Elektronendomänen gezählt? (Als eine Elektronendomäne) (!Als zwei Zentralatome) (!Als drei freie Elektronenpaare) (!Überhaupt nicht)

Welches Molekül ist wegen seiner linearen symmetrischen Gestalt insgesamt unpolar? (Kohlenstoffdioxid) (!Wasser) (!Ammoniak) (!Schwefeldioxid)

Welche Gestalt besitzt Schwefelhexafluorid? (Oktaedrisch) (!Tetraedrisch) (!Gewinkelt) (!Trigonal-planar)

Memory

linear	Kohlenstoffdioxid
trigonal-planar	Bortrifluorid
tetraedrisch	Methan
trigonal-pyramidal	Ammoniak
gewinkelt	Wasser
trigonal-bipyramidal	Phosphorpentachlorid
oktaedrisch	Schwefelhexafluorid
quadratisch-planar	Xenontetrafluorid

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Molekülgestalt
Kohlenstoffdioxid	linear
Bortrifluorid	trigonal-planar
Methan	tetraedrisch
Ammoniak	trigonal-pyramidal
Wasser	gewinkelt
Schwefelhexafluorid	oktaedrisch

Kreuzworträtsel

Zentralatom	Welches Atom steht im Mittelpunkt einer VSEPR-Betrachtung?
Tetraeder	Wie heißt der geometrische Körper der Methanstruktur?
Bindungswinkel	Wie heißt der Winkel zwischen zwei Bindungen?
Lewisformel	Welche Formel zeigt Bindungen und freie Elektronenpaare?
Elektronenpaar	Was kann bindend oder frei vorliegen?
Dipolmoment	Welche Größe beschreibt die elektrische Polarität eines Moleküls?

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Lückentext

Die

beschreibt die räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül.

Das VSEPR-Modell beruht auf der

von Elektronendomänen.

In der AXE-Schreibweise bezeichnet A das

.

Der Buchstabe X steht für ein

Atom.

Der Buchstabe E steht für ein freies

am Zentralatom.

Eine Mehrfachbindung zählt in der ersten Näherung als eine

.

Kohlenstoffdioxid besitzt eine

Gestalt.

Methan besitzt eine

Gestalt.

Ammoniak ist

gebaut.

Das Wassermolekül ist wegen seiner freien Elektronenpaare

.

In einem symmetrischen Molekül können sich Bindungsdipole gegenseitig

.

Offene Aufgaben

Leicht

Molekülmodell: Baue aus Knete und Stäbchen Modelle von Methan und Wasser und fotografiere beide aus zwei Perspektiven.
Formenskizze: Zeichne die Formen linear, trigonal-planar, tetraedrisch und gewinkelt mit beschrifteten Bindungswinkeln.
Begriffskarte: Erstelle eine Karte mit den Begriffen Zentralatom, Bindungspaar, freies Elektronenpaar und Elektronendomäne.
Molekülvergleich: Beschreibe in einem kurzen Text zwei Unterschiede zwischen der Lewis-Formel und einem räumlichen Molekülmodell.

Standard

Modellreihe: Baue Modelle von Kohlenstoffdioxid, Bortrifluorid, Methan, Ammoniak und Wasser und ordne sie nach der Zahl ihrer Elektronendomänen.
Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, in dem Du die AXE-Schreibweise an einem selbst gewählten Molekül erklärst.
Simulation: Untersuche mit der PhET-Simulation, wie sich ein zusätzliches freies Elektronenpaar auf die Gestalt auswirkt, und protokolliere Deine Beobachtungen.
Dipolprüfung: Vergleiche Kohlenstoffdioxid und Wasser und begründe mithilfe von Pfeilen, weshalb nur eines der Moleküle ein Gesamtdipol ist.

Schwer

Unbekanntes Molekül: Entwickle eine Anleitung, mit der eine andere Lerngruppe aus einer Lewis-Formel selbstständig die Molekülgestalt bestimmt.
Fachinterview: Befrage eine Chemielehrkraft oder eine Person aus einem Labor dazu, wie Molekülstrukturen experimentell oder rechnerisch bestimmt werden.
Modellkritik: Recherchiere ein Beispiel, bei dem das VSEPR-Modell nur eingeschränkt funktioniert, und erkläre die Ursache.
Unterrichtsprojekt: Plane eine kurze Unterrichtssequenz mit Modellbau, Diagnoseaufgabe und Lernkontrolle zur Molekülgeometrie.

Lernkontrolle

Strukturvergleich: Erkläre, warum Methan, Ammoniak und Wasser trotz einer tetraedrischen Elektronenpaaranordnung unterschiedliche Molekülgestalten besitzen.
Vorhersage: Leite aus den Lewis-Formeln die Gestalten von Kohlenstoffdioxid und Schwefeldioxid ab und begründe den Unterschied.
Polarität: Vergleiche Bortrifluorid und Ammoniak. Erkläre, wie Symmetrie und Molekülgestalt das Gesamtdipolmoment beeinflussen.
Modellentwicklung: Entwirf ein einfaches räumliches Modell, das freie Elektronenpaare sichtbar macht, und begründe Deine Materialwahl.
AXE-Transfer: Ein Molekül besitzt den Typ AX4E2. Leite Elektronenpaargeometrie und Molekülgestalt her und erkläre Deine Entscheidung.
Modellgrenze: Beurteile, weshalb ein einfaches Abstoßungsmodell reale Bindungswinkel nicht immer exakt vorhersagt.

Lernnachweis

Für einen überzeugenden Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

eine Lewis-Formel korrekt auswerten kannst.
bindende und freie Elektronenpaare am Zentralatom unterscheidest.
die AXE-Schreibweise sicher verwendest.
Molekülgestalten und ungefähre Bindungswinkel begründet zuordnest.
Molekülgeometrie mit Symmetrie und Polarität verknüpfst.
die Aussagekraft und Grenzen des VSEPR-Modells reflektierst.
Modelle, Skizzen oder digitale Darstellungen fachsprachlich erklärst.

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